Τις τελευταίες δεκαετίες ζούμε μια διαρκή επανάσταση στην τεχνολογία των επεξεργαστών, η οποία οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στα ολοκληρωμένα κυκλώματα που είναι «τυπωμένα» πάνω σε τσιπ ημιαγωγών (πυριτίου). Η υπολογιστική ισχύς των επεξεργαστών αυξάνεται διαρκώς καθώς τα τσιπ γίνονται ολοένα μικρότερα και πυκνότερα, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνονται οι αλγόριθμοι και οι μέθοδοι επεξεργασίας δεδομένων. Κατά συνέπεια, οι συσκευές γίνονται μικρότερες, ταχύτερες και κατά κανόνα φτηνότερες. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι επεξεργαστές που περιέχουν τα κινητά μας τηλέφωνα είναι πολλές φορές ισχυρότεροι από τον επεξεργαστή του (ογκώδη) ηλεκτρονικού υπολογιστή που χρησιμοποιήθηκε για να στείλει τον άνθρωπο στο φεγγάρι πριν από μισό αιώνα. Φυσικά, τσιπ δεν βρίσκονται μόνο σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα, αλλά σχεδόν σε οποιαδήποτε ηλεκτρονική συσκευή, συμπεριλαμβανομένων των έξυπνων οικιακών συσκευών και των αυτοκινήτων μας.
Η πρόοδος αυτή έχει ξεκινήσει μετά το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα και συνεχίζεται σχεδόν αμείωτη, ακολουθώντας τον νόμο του Moore.
Ένας νόμος που δεν είναι νόμος
Το 1965 ο Gordon Moore, διευθυντής έρευνας και τεχνολογίας στη Fairchild Semiconductor και μετέπειτα συνιδρυτής της εταιρείας Intel, διατύπωσε την πρόβλεψη ότι, τουλάχιστον για την δεκαετία που θα ακολουθούσε, η πολυπλοκότητα και ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα θα διπλασιάζονταν ετησίως, διπλασιάζοντας, αντιστοίχως, τις δυνατότητες των τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το 1975 η εκτίμηση του Moore επιβεβαιώθηκε και προβλέφθηκε εκ νέου ότι ο ετήσιος διπλασιασμός των στοιχείων ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος θα συνεχιζόταν. Η αρχική πρόβλεψη του Moore «αναβαθμίστηκε» σε νόμο, παρόλο που δεν βασίστηκε σε ενδελεχή ανάλυση δεδομένων. Σήμερα κάνουμε λόγο για τον νόμο του Moore, παρόλο που πρόκειται για μια διαπίστωση βασισμένη στην εκτίμηση των τάσεων της εποχής.
Ο Moore εκτίμησε ότι η υπολογιστική ισχύς ανά δολάριο θα αυξάνεται εκθετικά με το χρόνο, δηλαδή ότι το κόστος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα μειώνεται αντιστοίχως. Η πρόβλεψη αυτή μπορεί να ενταχθεί σε μια ευρύτερη κατηγορία προβλέψεων του κόστους των προϊόντων τεχνολογίας, οι οποίες βασίζονται στο ότι όσο πιο μαζική γίνεται η παραγωγή, τόσο αποτελεσματικότερες και συμφέρουσες γίνονται οι τεχνικές παραγωγής. Ωστόσο, δεν είναι βέβαιο κατά πόσο μπορούμε να προβλέψουμε με ακρίβεια την εξέλιξη που θα έχει μια νέα τεχνολογική εφαρμογή, καθώς οι μελέτες έχουν επιβεβαιώσει τους παρατηρούμενους ρυθμούς μόνο εκ των υστέρων και σε τεχνολογίες οι οποίες έχουν εδραιωθεί. Η εδραίωσή τους δεν εξαρτάται μόνο από τους κανόνες της αγοράς αλλά και από πολιτικές κατευθύνσεις που θα καταστήσουν τις νέες εφαρμογές απαραίτητες και διαθέσιμες σε μεγάλο κοινό.
Σε αυτό το πλαίσιο, έχει πολύ μεγάλη σημασία να τονιστεί ότι η τεχνολογική πρόοδος που «προβλέπεται» από το νόμο του Moore δεν ήταν αναπόφευκτη. Αντιθέτως, ο νόμος του Moore λειτούργησε σαν μια αυτοεκπληρούμενη προφητεία, καθώς ο τεχνολογικός τομέας συνειδητά ανέλαβε την πρόκληση να τον επιβεβαιώνει. Όσο οι κατασκευαστές των τσιπ δημιουργούσαν ταχύτερα κυκλώματα, οι προγραμματιστές φρόντιζαν να τα αξιοποιούν στο έπακρο και οι εμπορικές εφαρμογές έδιναν τη δυνατότητα στους καταναλωτές να ζητάνε περισσότερα από τις συσκευές τους, δημιουργώντας περαιτέρω κίνητρα για την κατασκευή ταχύτερων επεξεργαστών. Για να παραμείνει σε αυτή την πορεία προόδου, η βιομηχανία ημιαγωγών κατέστρωνε κάθε δυο έτη έναν οδικό χάρτη, με βάση τον οποίο συντονίζονταν κατασκευαστές και προμηθευτές πρώτων υλών, προκειμένου να εξασφαλιστεί η ισχύς του νόμου του Moore (μια πρακτική που ονομάζεται More Moore, δηλαδή περισσότερος Moore).
Ο τελικός προορισμός: κβαντομηχανική
Κάθε φορά που ερευνητές και κατασκευαστές πλησίαζαν τα όρια των υπαρχόντων τεχνολογιών κατασκευής τσιπ πυριτίου, εκφραζόταν ο κίνδυνος του επικείμενου τέλους του νόμου του Moore. Σε όλες τις περιπτώσεις, μέχρι στιγμής, η τεχνολογική και επιστημονική κοινότητα ανταποκρίνονταν στην πρόκληση, βελτιώνοντας τις μεθόδους αυτές και προτείνοντας νέες πιο αποτελεσματικές τεχνικές. Σήμερα, τα εργοστάσια κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χρησιμοποιούν μερικές από τις πιο πολύπλοκες και ογκώδεις συσκευές που έχουν κατασκευαστεί, οι οποίες αξιοποιούν στο έπακρο τις αρχές της φυσικής ημιαγωγών και πλάσματος.
Ολοένα περισσότερα στοιχεία βρίσκονται στριμωγμένα σε ολοένα μικρότερες επιφάνειες. Τα κορυφαία τσιπ που κατασκευάζονται αποτελούνται από στοιχεία της τάξης των 10 περίπου δισεκατομμυριοστών του μέτρου (νανόμετρα), δηλαδή μικρότερα από έναν ιό. Σύμφωνα με τις προβλέψεις, σύντομα θα φτάσουμε στο οριακό μέγεθος των 2-3 νανομέτρων. Η πρόοδος που προβλέπουν οι οδικοί χάρτες δεν βασίζονται μόνο στην κατασκευή ολοένα μικρότερων τσιπ αλλά στην αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων, που οφείλονται στην εφοδιαστική αλυσίδα και τον συντονισμό προμηθευτών κατασκευαστών αλλά και στις ίδιες τις φυσικές ιδιότητες των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Για παράδειγμα, ένα από τα προβλήματα που είχε να αντιμετωπίσει η βιομηχανία ήταν η θερμότητα που παραγόταν στα τσιπ πυριτίου, όταν αυτά άρχισαν να γίνονται πραγματικά πολύ μικρά, δηλαδή όταν τα στοιχεία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έφτασαν τα περίπου 90 νανόμετρα. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα και να συνεχίσει να επιβεβαιώνεται ο νόμος του Moore χρειάστηκε επανασχεδιασμός των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (εκεί οφείλουμε τους τετραπύρηνους και οκταπύρηνους επεξεργαστές) και αντίστοιχη προσαρμογή των λογισμικών.
Πάντως, το τελικό όριο για την ισχύ του νόμου του Moore φαίνεται να καθορίζεται από την κβαντομηχανική, η οποία θέτει τα όρια στις δυνατότητές μας να στριμώχνουμε ολοένα περισσότερα τρανζίστορ στα τσιπ πυριτίου. Μπορεί να φανταστεί κανείς ότι τη διέλευση ηλεκτρονίων μέσα από τα τρανζίστορ ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος «εμποδίζουν» μόλις μερικές δεκάδες άτομα πυριτίου. Μέσα στα επόμενα έτη τα εμπόδια αυτά θα είναι τόσο μικρά όσο μόλις μερικά (ή ακόμα και ένα) άτομα πυριτίου. Σε αυτό όμως το επίπεδο, σύμφωνα με το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από ένα τρανζίστορ ακόμα και χωρίς την εφαρμογή κατάλληλης τάσης και επομένως η λειτουργία του ως «διακόπτη» καθίσταται αναξιόπιστη. Πιθανά σενάρια για να ξεπεραστεί το όριο που θέτει η φύση στην αξιοποίηση των ημιαγώγιμων τσιπ υπάρχουν είτε με τη χρήση άλλων υλικών και μεθόδων διαμόρφωσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή με την περαιτέρω ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών. Τα περισσότερα από αυτά τα σενάρια, όμως, δεν έχουν εφαρμοστεί πέρα από τα εργαστήρια, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές φαίνεται πώς δεν θα μπορούν να αντικαταστήσουν τους συμβατικούς στην ευρεία γκάμα εφαρμογών που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητα.
Η παγκόσμια κρίση στην παραγωγή των τσιπ
Εκτός από την ίδια τη φύση, η αυξανόμενη υπολογιστική ισχύς και αφθονία ηλεκτρονικών συσκευών περιορίζεται επίσης από έναν πολύ πιο πεζό αλλά ουσιαστικό παράγοντα: τους περιορισμούς στην εφοδιαστική αλυσίδα. Σήμερα, το καταναλωτικό κοινό βρίσκεται μπροστά σε αυξανόμενες τιμές και μικρότερη αφθονία προϊόντων, λόγω μιας παγκόσμιας έλλειψης σε ημιαγωγούς. Τους τελευταίους μήνες, μια σειρά από παράγοντες συνδυάστηκαν οδηγώντας στην τέλεια καταιγίδα, όπως χαρακτηρίζουν την κρίση κάποια δημοσιεύματα. Λόγω της κρίσης, μεγάλες εταιρείες όπως η Samsung, η Sony, η Ford και άλλες αναμένουν μείωση στα κέρδη για το έτος που διανύουμε, κάνουν περικοπές στην παραγωγή και ανακοινώνουν την καθυστέρηση στην κυκλοφορία νέων μοντέλων.
Η πρώτη αιτία αυτής της έλλειψης ήταν η πανδημία του covid-19, η οποία αρχικά οδήγησε στο κλείσιμο εργοστασίων, προκαλώντας καθυστερήσεις στις εξυπηρετήσεις των παραγγελιών. Ταυτόχρονα, και παρά το γεγονός ότι η παραγωγή αρχικά προσαρμόστηκε στις νέες συνθήκες, οι περιορισμοί στις μετακινήσεις και οι συνεπαγόμενες αλλαγές στην εργασία και την εκπαίδευση οδήγησαν σε μια ραγδαία αύξηση της ζήτησης σε προϊόντα τεχνολογίας, όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα κ.λπ.
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας 5G και η συνεπαγόμενη κυκλοφορία νέων μοντέλων κινητών, σε συνδυασμό με τους περιορισμούς στο εμπόριο με την Κίνα που επιβλήθηκαν από τις ΗΠΑ, γεγονότα που έλαβαν χώρα πριν την έναρξη της πανδημίας, φαίνεται να εντείνουν το πρόβλημα που δημιουργήθηκε. Οι εταιρείες που γνώριζαν ότι δεν θα μπορούσαν να προμηθευτούν ημιαγωγούς μετά από κάποια συγκεκριμένη ημερομηνία λόγω των περιορισμών, φρόντισαν να κάνουν ογκώδεις παραγγελίες, μειώνοντας έτσι τα διαθέσιμα αποθέματα. Στην κρίση συνέβαλαν και μεμονωμένα γεγονότα, όπως σεισμοί, ακραία καιρικά φαινόμενα και πυρκαγιές που ανάγκασαν κάποια εργοστάσια παραγωγής τσιπ ημιαγωγών να κλείσουν.
Πάντως η κρίση δεν επηρεάζει όλες τις βιομηχανίες το ίδιο. Το μεγαλύτερο χτύπημα δέχονται η στρατιωτική βιομηχανία, η αεροδιαστημική και, κυρίως, οι αυτοκινητοβιομηχανίες. Ειδικά για τις τελευταίες, οι έκτακτες και μη αναμενόμενες συνθήκες που δημιούργησε η πανδημία, σε συνδυασμό με τον κακό σχεδιασμό του περιορισμού της παραγωγής έχουν δυσκολέψει την πρόσβαση σε ημιαγωγούς. Για παράδειγμα, πολλά από τα εργοστάσια αυτοκινήτων προχώρησαν σε ακυρώσεις παραγγελιών τσιπ, οι οποίες κατευθύνθηκαν στη συνέχεια από τα εργοστάσια παραγωγής ημιαγωγών σε αγορές που είτε δεν είχαν επηρεαστεί από την πανδημία ή, που, αντιθέτως, παρουσίασαν δριμεία άνθηση εξαιτίας αυτής (όπως η αγορά Η/Υ). Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις, η κατάσταση για τις αυτοκινητοβιομηχανίες δεν θα βελτιωθεί πριν το πρώτο εξάμηνο του επόμενου έτους.
Πηγές:
https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338
https://www.nature.com/articles/nature.2013.12548
https://www.techrepublic.com/article/the-global-chip-shortage-what-caused-it-how-long-will-it-last/
